Внутрикристаллитная и межкристаллитная деформации

Поскольку процесс кристаллизации при затвердевании жидкого металла идет одновременно из большого числа центров кристаллизации, технический металл представляет собой конгломерат зерен (кристаллитов). Неправильность внешней формы зерен металла, а также различие в направлениях кристаллографических осей в смежных зернах приводит к тому, что пограничный слой между зернами имеет нарушения правильности взаимного расположения атомов и обычно насыщен дислокациями, примесями и неметаллическими включениями. Это является следствием того, что в первую очередь кристаллизуются частицы основного металла.

Общее остаточное формоизменение поликристаллического тела складывается из пластической деформации составляющих его зерен и их относительного смещения. В соответствии с этим различают внутрикристаллитную и межкристаллитную деформации поликристалла.

Ранее было показано, что касательные напряжения, возникающие в металле под действием внешней силы, зависят от величины этой силы и фактора Шмида: ,

где: s = P / F -нормальное напряжение в площадке, перпендикулярной действующей силе, m = cos j cos l - фактор Шмида, cos j и cosl- направляющие косинусы рассматриваемой площадки (см. рис. 19).

Поскольку максимальное значение фактора Шмида m = 0,5 получается при углах j = l = 45⁰, максимальное касательное напряжение возникает в площадках c этими значениями углов и численно равно t_mаx = 0,5s.

До определенного значения внешней силы касательные напряжения не превосходят величины, достаточной для пластической деформации, и металл деформируется упруго, после снятия нагрузки форма и размеры тела полностью восстанавливаются.

Если под действием внешней силы возникает пластическое течение металла, это значит, что величина t достигла своего критического значения t_кр, вызывающего сдвиг атомных плоскостей.

Величина t_кр не зависит от ориентации плоскости и направления скольжения по отношению к приложенному напряжению и является величиной постоянной для данного металла. Приняв за предельное значение t значение

t _кр, т.е. напряжение, вызывающее течение металла (в этом случае s = s_т), имеем: s_т = t_кр / m, т.е. предел текучести монокристалла определяется фактором Шмида.

Возвращаясь к деформации поликристалла (см. рис. 44) становится очевидным, что в первую очередь деформация начнется в зернах А, где плоскости скольжения ориентированы относительно действующей силы под углом 45⁰, т.к. именно в них касательные напряжения будут максимальными и раньше,

чем в других зернах, достигнут своего критического значения t_кр.

Р 45⁰

А

плоскости скольжения

Рис.44

В этих плоскостях возникнут дислокации, начнут действовать источники Франка-Рида, в результате чего начнется сдвиговая деформация. По мере возрастания нагрузки касательные напряжения достигнут критического значения и в других зернах, и в них также возникнут дислокации, т. е. в деформацию будет вовлекаться все большее и большее число зерен, пока деформацией не будет охвачен весь объем поликристалла.

Нормальное напряжение s_т, соответствующее включению в пластическую деформацию преобладающего большинства зерен металла, является пределом текучести.

Каждая дислокация на своем пути сталкивается со множеством других, двигающихся под разными углами к ее плоскости скольжения, пересекающими ее и затрудняющими ее передвижение. Она как бы продирается через лес других дислокаций, и металлофизики так и говорят «дислокационный лес». Чем дальше в лес, тем он гуще и тем труднее через него пробираться. В конце концов, дальнейший выход дислокаций на свободную поверхность тела прекращается, способность металла к пластической деформации исчерпывается и происходит его разрушение. Так проявляется двойственная роль дислокаций под действием возрастающей внешней нагрузки. Вначале они помогают металлу изменять форму и тем самым сохранять свою целостность в борьбе с внешней силой, но при этом сами затрудняют себе движение и приближают момент разрушения металла.

Межкристаллитная деформация выражается в относительном смещении зерен относительно друг друга. На границе зерен существует переходный слой, в котором нарушена закономерность расположения атомов. Кроме того, при затвердевании расплава по границам зерен скапливаются нерастворимые примеси. Таким образом, пограничные слои отличаются от внутренних слоев зерен физико-механическими свойствами. Атомы в этих слоях не находятся в положениях, соответствующих минимуму потенциальной энергии. Отсюда следует, что их подвижность может быть больше, чем во внутренних слоях зерен, а их относительное перемещение (происходящее не по каким-то определенным плоскостям) может требовать относительно меньших касательных напряжений.

С другой стороны, смещение атомов в пограничных слоях затрудняется наличием нерастворимых примесей и неправильной формой поверхности зерен, приводящей к их зацеплениям и заклиниваниям в процессе деформации. Межкристаллитная деформация может приводить к развитию микро и макротрещин. Однако, если возникающие повреждения границ зерен восстанавливаются (залечиваются) в процессе деформации, что имеет место при повышенных температурах, то межкристаллитная деформация играет значительную роль в общем формоизменении тела. Представление о механизме межкристаллитной деформации основано на существовании зернограничной дислокации (ЗГД), которая может перемещаться вдоль границы смежных зерен, вызывая их относительное смещение.